城市有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計與仿真計算

城市有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計與仿真計算張明銳 龔曉冬 唐賈言 鐘建輝同濟大學電子與信息市城市建設(shè)設(shè)計研究總院第一作者摘要 對城市有軌電車供電系統(tǒng)的方案選擇工程設(shè)計的主要計算供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標和參數(shù)確定作了詳細的介紹。并以蘇州市高新區(qū)有軌電車１號線為例建立了供電系統(tǒng)整體模型對供電系統(tǒng)設(shè)計所需的牽引容量觸網(wǎng)電壓、迷流軌電位短路電流等工程數(shù)據(jù)進行仿真計算分析其化規(guī)律為有軌電車供電系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依據(jù)。有軌電車；牽引供電；軌電位；短路電流

補充和延伸例如張江科技區(qū)在經(jīng)濟受限的中小型城市以有軌電車為主承擔大部分客流量例如蘇州高新區(qū)有軌電車１號線。現(xiàn)代有軌電車具有廣闊的發(fā)展前景將成為未來城市公共交通體系的重要組成值得大力推廣和發(fā)展。表１各種公共交通方式比較號 道路指 共交

快速道路交通

現(xiàn)代有軌電

輕 地ｎｎｏｆｎｒｙｍｉｎ， ｍ

運營速度 運能造價ｎｅ ｈ能耗污染高高較高較高較低低低低低低ａｎｅｌａｎ，ｈｎ ｈｅｍ．ｄｓｔｕｓｎｒｉ現(xiàn)代有軌電車是在傳統(tǒng)有軌電車的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的采用現(xiàn)代交流電傳動技術(shù)經(jīng)不斷完善形成的一種介于公共汽車和輕軌之間的中低運量軌道交通系統(tǒng)［１］。與道路交通相比有軌電車具有運營速度快運能大能耗低污染小的優(yōu)勢與輕軌和地鐵相比其建造經(jīng)濟運營靈活管理便捷的特點又得以體現(xiàn)詳細對比見表。因此現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)在以下兩種環(huán)境首先得到重視與應(yīng)用在特大城市的功能新區(qū)內(nèi)建設(shè)有軌電車作為主體公共交通的

１有軌電車供電系統(tǒng)１．１有軌電車總體供電方案的確立可從供電方式、供電制式電壓等級和運行模式等幾方面進行考慮。供電方式有集中式半集中式分散式混合式等不同形式。集中式需專門設(shè)置３５ｋＶ及以上的主變電所降壓后向牽引變電所統(tǒng)一供電半集中式是指設(shè)置若干１０ｋＶ開閉所由自建１０ｋＶ配電網(wǎng)向全線牽引變電所以下簡為牽引變供電分散式則由城市３５ｋＶ或１０ｋＶ變電所直接向沿線牽引變供電混合式則介于集中式和分散式之間。軌道交通領(lǐng)域主要有兩種供電制式一種是第三軌供電另一種是接觸網(wǎng)供電。兩種供電制式下常用的電壓等級采用的是國際電工ＤＣ７５０Ｖ，其供電距離更遠供電質(zhì)量更高。兩種供電制式的特點如表２所示。第三接觸表 兩種供電制式的主要優(yōu)第三接觸

全線擬設(shè)開閉所座正線牽引變座車輛牽引變１座供電系統(tǒng)如圖１所示。 構(gòu)造簡單，可靠性高，堅固穩(wěn)定維修量小 速度受限供電安全性要

架設(shè)在線路上空，供電安全性高機械故障多發(fā)維修量

系統(tǒng)運行方式系統(tǒng)運行方式分為正常運行方式和故障運行方式兩種。如圖１所示正常運行方式下每座變電所由兩不同于輕軌和地鐵有軌電車屬地面交通運里程短運量中等用電負荷小但作為一個公交系統(tǒng)其供電可靠性依然不容忽視。蘇州有軌電車１號線線路全長約１８ｋｍ，根據(jù)實際線路條件供電方

回互為備用的１０ｋＶ電源供電。每座牽引變電所的兩套１２脈波整流機組并聯(lián)運行構(gòu)成等效２４脈波整流器向接觸網(wǎng)供電。正線接觸網(wǎng)由相鄰牽引變電所雙邊供電。故障運行方式有以下３種

圖 蘇州高新區(qū)有軌電車１號線供電系統(tǒng)標進行仿真計算其中整流機組需要作過負荷指標牽引混合變電所的任一回１０ｋＶ進線電源故障切除故障電源合上母聯(lián)分段開關(guān)由另一電當正線牽引變一套整流機組故障時另一套整流機組在其允許過負荷的情況下繼續(xù)向接觸網(wǎng)

的校驗觸網(wǎng)電壓和鋼軌電位也有明確的考核指標。詳細參數(shù)見表３。表３供電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)考核標準考核對 標 連供電保持列車正常運行。 牽引整流負荷 １５０％額定負荷２ｈ３００％額定負荷１正線任一牽引變解列區(qū)間聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上相鄰變電所實現(xiàn)越區(qū)大雙邊供電 牽引供電計算主要計算內(nèi)容牽引供電計算是供電初步設(shè)計中的重要一環(huán)，其計算結(jié)果是牽引變?nèi)萘看_定地址選擇重要開關(guān)設(shè)備選型的依據(jù)。牽引計算內(nèi)容包括牽引變?nèi)萘俊⒄鳈C組功率饋線有效電流觸網(wǎng)電流觸網(wǎng)電壓降迷流及鋼軌電位直流側(cè)短路電流諧波分析等。本文建立圖１所示的供電系統(tǒng)模型對以上

觸網(wǎng)電 任一點觸網(wǎng)電壓不低于鋼軌電 任一點鋼軌電位不高于在工程設(shè)計中往往考慮最惡劣運行工況下系統(tǒng)的供電能力和安全性。在軌道交通供電系統(tǒng)中一般考慮遠期運行小時內(nèi)任意一座牽引變解列，相鄰牽引變越區(qū)大雙邊供電上下行行車密度最大，且列車均處于啟動加速狀態(tài)的條件下各項供電指標是否合格并以此作為供電方案調(diào)整的重要技術(shù)依據(jù)。供電方案調(diào)整的重要措施包括：①調(diào)整牽引變位置改變供電距離；②增大變壓器整流機組等設(shè)備容量；增大電纜導體截面；增加直流饋線。以上調(diào)整措施不能滿足要求的情況下則需要在緊急情況下通過減小行車密度降低行車速度等運行管理措施來配合。２．２蘇州高新區(qū)有軌電車１號線工程供電系統(tǒng)的主要參數(shù)如表４所示牽引變間距如表５所示。表蘇州高新區(qū)有軌電車號線供電系統(tǒng)主要模塊及參數(shù)

圖２５模塊有軌電車牽引特性曲線 建模及仿真電 牽引電壓：１０ｋＶ

容量：２×６３０ｋＶＡ變壓器變比：

３．１解列運行工況牽引系統(tǒng)的供電能力與安全性指標需要通過最短路電壓百分比６％線 車 牽引網(wǎng)阻抗０４Ωｋｍ） 電機數(shù)：４鋼軌阻抗） 驅(qū)動方式：１Ｃ２Ｍ牽引變對地電阻 牽引特性曲線如圖

惡劣運行工況的校驗與考核。以圖１中４＃牽引變解列為例。若列車最高速度為旅行速度為２５最小發(fā)車間隔為則取列車平均間隔為。供電區(qū)間長度為由此確定上下行各有３輛列車同時運行其均勻分布于線。當末端牽引變解列時鄰近牽引變越區(qū)單邊供電。牽引變序

表 蘇州高新區(qū)有軌電車１號線牽引變間距車輛段牽引變不計 間 ０ １ ２ ２ ２ ２ ２ ２ １ １迷流及軌電位模采用圖３的分布參數(shù)模型對迷流及軌電位仿真計算。列車模塊采用電流源模擬電流大小取列車最大牽引電流分布間隔取０．１ｋｍ，對沿線迷流及軌電位循環(huán)計算。

流線負母線最后流回牽引變負極。所有牽引變都并聯(lián)在直流母線上因此均會提供短路電流。一般針對以下三種情況進行直流側(cè)短路電流計算：正常雙邊供電時；任一中間牽引變解列相鄰牽引變越區(qū)大雙邊供電時；末端牽引變解列臨近牽引變單邊供電時。仿真計算結(jié)果牽引變解列運以４＃牽引變解列運行工況為例對列車啟動加速階段進行仿真仿真時間為波形如圖４～圖８所示。圖３迷流及軌電位分布參數(shù)模型短路計算任意觸網(wǎng)點發(fā)生短路短路電流從牽引變正極流出經(jīng)正母 饋 觸 短路 鋼 圖４列車牽引電 圖５列車牽引網(wǎng)圖６觸網(wǎng)電圖７整流機組功

圖８牽引變?nèi)萘熊噺撵o止加速到給定速度首先進入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)此時列車從牽引網(wǎng)吸收功率牽引電流增大網(wǎng)壓急劇降低。達到一定速度后列車進入恒功區(qū)網(wǎng)壓逐漸升高。最低網(wǎng)壓出現(xiàn)在啟動后６ｓ，約為由圖６～圖８可知觸網(wǎng)電流最大值約為１１３０此時需要牽引變提供的容量。選擇額定容量為２×６３０ｋＶＡ的牽引變短時過載倍數(shù)約為倍滿足要求。對牽引變解列運行工況進行循環(huán)計算。由于一座牽引變解列時相鄰牽引變過載運行引起短時過載同時造成牽引網(wǎng)電壓降加大。表６仿真結(jié)果顯示最大過載率達到最低網(wǎng)壓為均能滿足工程要求。表６牽引變解列運行仿真結(jié)解列牽引相鄰牽引變?nèi)萘浚保保保保保保保保保闭鳈C組功率１１１１１１１１１１過載率觸網(wǎng)電流最低網(wǎng)壓迷流及軌電位取列車牽引電流１０００Ａ鋼軌阻抗５仿真得到迷流軌電位分布如圖９圖１０

圖９迷流分

圖１０軌電位分鋼軌各點迷流均通過大地流向鄰近牽引變的負端因此牽引變位置處的迷流及軌電位為負值列車位置處軌電位較高。軌電位大小主要取決于鋼軌泄漏電阻和列車牽引電流大小軌電位分布主要取決于牽引變間距和列車分布最大軌電位出現(xiàn)路中間最大值為符合工程要求。３．２．３直流側(cè)短路正常雙邊供電以３＃４＃區(qū)間內(nèi)發(fā)生短路為例分析短路電流與短路位置的關(guān)系。兩牽引變間距為２．５ｋｍ，短路電流穩(wěn)態(tài)值如表７所示。表中的短路電流只給出了３＃４＃牽引變提供的電流數(shù)值。事實上所有牽引變電所都會提供短路電流只是隨著變電所與短路點的距離加大遠端的變電所提供的短路電流值比較小。

相鄰牽引變越區(qū)供電以４＃牽引變解列＃５＃越區(qū)供電為例同時考慮２＃６＃牽引變的影響仿真得到短路電流穩(wěn)態(tài)值如圖１１所示。由圖１１可知短路電流與供電距離近似呈反比關(guān)系最大短路電流出現(xiàn)在靠近牽引變出口處。在距３牽引變出口５０ｍ處發(fā)生短路時＃牽引變提供的短路電流為當在距５＃牽引變出口５０ｍ處發(fā)生短路時，其提供的短路電流表７正常雙邊供電時短路電流穩(wěn)態(tài) 短路點位置０００００００００１１１３＃側(cè)電流８４３３４＃側(cè)電流２２２３短路點位置１１１１１１１２２２２２３＃側(cè)電流２２２３４＃側(cè)電流３４對供電系統(tǒng)的方案合理性和關(guān)鍵工程設(shè)計指標進行了論證和仿真計算。仿真結(jié)果表明各項指標滿足設(shè)計要求。本文建立的仿真模型和計算方法對現(xiàn)代有參考文獻圖１１３＃牽引變提供的短路電流與短路點位置關(guān)系單邊供以１０牽引變解列９＃牽引變單邊供電為例，并且考慮８＃牽引變對９＃牽引變的影響仿真得到短路電流穩(wěn)態(tài)值如圖１２所示。

［］訾海波過秀成楊潔現(xiàn)代有軌電車應(yīng)用模式及地區(qū)適應(yīng)性研究城市軌道交通研究［］王建試論有軌電車和輕軌系統(tǒng)的相互關(guān)系中國城市交［３］楊敏陳學武王煒